Jeder Anwender ist ein Pionier

Die additive Fertigung hat sich entwickelt. Während in der Vergangenheit vor allem Prototypen hergestellt wurden, geht es nun auch um die Produktion von Bauteilen, die tatsächlich im Einsatz sein. Somit gewinnt auch die Qualitätssicherung an Bedeutung. Doch wo stehen wir jetzt bei diesem Thema?

Schulenburg: Ich glaube, das größte Problem ist im Moment, dass es noch keine Normen gibt. Wir haben keine wirklich verlässlichen Normen, die mir sagen: Was muss ich tun, um ein Teil zu drucken und danach auch prüfen zu lassen? Solange das nicht festgeschrieben ist, wird das 3D-Drucken in dem Stadium verharren, in dem es zur Zeit ist. Das heißt: Unternehmen kaufen sich einen Drucker und probieren einfach etwas aus. Dabei wird so viel Energie verschwendet. Den Endanwendern wird häufig auch gar nicht gesagt, dass sie prüfen müssen. Jeder Anwender von 3D-Druck ist im Grunde ein Pionier.

Gönenc: Wir sind für die Luftfahrt qualifiziert, um Bauteile zerstörungsfrei prüfen zu dürfen, die additiv hergestellt wurden. Und wir haben uns einen Metalldrucker gekauft, um Erfahrungen zu sammeln und zu forschen. Wir wollen herausfinden, welche Fehler sich wie auf den Druck auswirken und wie man diese dann beheben kann. Wir wollen diesen Prozess kennenlernen, das ist unser Anspruch. Je mehr man sich mit dem Prozess beschäftigt, desto schneller merkt man, dass die Nachbearbeitung doch mehr Kosten und Zeit in Anspruch nimmt als erwartet.

Effenberger: Die 3D-Drucktechnik ist derzeit ein Hype-Thema. Es gibt einen großen Absatz, die Anlagen verkaufen sich sehr gut. Dadurch sind die Hersteller nicht so stark in Zugzwang, in Sachen Qualitätssicherung aktiv werden zu müssen. Die Probleme treten dann wirklich erst bei den Endkunden auf und vor allem bei den Dienstleistern. Denn die Dienstleister haben verschiedene Systeme im Einsatz und fertigen immer unterschiedliche Teile. Und dabei gerät man dann sehr schnell an Grenzen. Häufig ist es so, dass wirklich jedes Teil mithilfe der Computertomographie oder einer anderen Technologie komplett geprüft werden muss.

Gögelein: Wir haben ja die höchsten Ansprüche an die Qualität von Bauteilen. Und durch die additive Fertigung sind wir jetzt auch Rohteilhersteller. Das heißt, wir nutzen ein Herstellungsverfahren, das neu ist, und gleichzeitig müssen wir uns auch mit neuen Prüfmethoden beschäftigen. Indem wir versuchen, die Qualität sicher zu stellen, lernen wir quasi auch erst, was an der additiven Fertigungsanlage noch nicht so funktioniert wie es sollte. Die Anlagenhersteller kommen ja aus ganz anderen Bereichen als die normalen Fertigungsmaschinenhersteller. Und daher fehlt ihnen zum Teil die Erfahrung, was Qualitätssicherung in der Luftfahrt oder in der Automobilbranche bedeutet.

Also sind wir zur Zeit ein bisschen im Tal der Tränen?

Grünberger: Es stimmt, dass Normen fehlen. Aber ich sehe das nicht negativ, sondern positiv. Denn man kann den Anwendern der additiven Fertigung nicht einfach Normen beziehungsweise Bauteilvorschriften aus der klassischen Fertigung vorsetzen. Es ist unmöglich, die Qualität eines Schmiedeteils auf ein 3D-gedrucktes Bauteil zu übertragen.

Und warum sehen Sie die fehlenden Normen als positiv?

Grünberger: Wir haben unsere Endkunden in vier Gruppen unterteilt: die Einsteiger; die Anwender, die ihre Prozesse optimieren; dann solche, die sich mit der Produktion beschäftigen; und letztlich im Bereich Powder Bed Fusion erste Kunden, die das Technology Readiness Level 9 erreicht haben – also TRL 9. Und wir helfen denen, die vor TRL 9 stehen, Normen zu entwickeln, um das nächste Level zu erreichen. Daneben helfen wir den Einsteigern, den Status der Produktion zu erreichen. Ich denke, dass es zielführend ist, alle zu begleiten. Denn wenn man 20 Anwender hat, die vor TRL 9 stehen, dann haben wir genügen Leute, die in einen Normenausschuss gehen. Das alles wird der Technologie einen gewaltigen Schub verleihen.

Eine wichtige Technologie, um die Qualität von additiv gefertigten Bauteilen zu prüfen, ist die Computertomographie. Reichen die Möglichkeiten aus, welche die CT bietet, oder muss die technologische Entwicklung noch weiter gehen?

Gönenc: Da müsste schon noch mehr entwickelt werden. Also, normale Defekte lassen sich erkennen. Aber bei Anbindungsfehlern beispielsweise hat man keine Chancen mit der CT.

Effenberger: Man wird es sicher nicht schaffen, alles mit der CT abzudecken. Bei Kunststoffen ist das noch relativ einfach. Je mehr man aber mit schwer durchstrahlbaren Materialen zu tun hat, desto eher gerät man an Grenzen, desto mehr Probleme hat man etwa mit Artefakten. Man muss von beiden Seiten kommen, um zu einer geeigneten reproduzierbaren Qualität zu gelangen. Die eine Seite ist die Mess- und Prüftechnik, die benötigt wird, um die Teile nach der Fertigung zu untersuchen. Auf der anderen Seite muss man aber auch den Prozess stabil bekommen. Je mehr wir mit der Qualitätskontrolle prüfen können, desto besser kann man Rückschlüsse auf die Prozessparameter ziehen, die zu dieser Qualität geführt haben. Da liegt noch ein ganzes Stück Weg vor uns.

Schulenburg: In der Gießtechnik wird ja auch nicht immer zu 100 Prozent geprüft. Aber dort gibt es Jahrzehnte von Erfahrung, vielleicht sogar Jahrhunderte. Beim 3D-Druck muss man sich das erst mal erarbeiten. Da gibt es x Freiheitsgrade, die das Ganze beeinflussen können. Und die muss man erst mal ermitteln, damit man überhaupt Sicherheit hat. Im Moment behilft man sich damit, dass ein kleinerer Referenzkörper mitgedruckt wird. Diesen kann man dann noch in höherer Auflösung tomographieren. Wenn wir von diesem kleinen Bauteil auf die Qualität des großen schließen können, dann haben wir schon viel gewonnen.

Aber ohne CT geht es nicht, oder?

Gögelein: Wir haben ja die optische Tomographie entwickelt, mit der sich sehr gut systematische Fehler in der Belichtungsstrategie erkennen lassen. Ich erhalte eine riesige Bildmenge, weil von jeder Schicht ein Bild aufgenommen wird. Diese kann ich dann miteinander vergleichen. Ich sehe sofort, wenn eines dieser Bilder abweicht. Dann weiß ich, dass in dieser Schicht etwas systematisch schief gelaufen ist. Deutlich schwieriger sind aber lokale Störungen zu erkennen, die irgendwo auf der Bauplattform auftreten können. Dabei hilft dann nur eine 100-Prozent-Kontrolle mit CT. Die Inline-Prozesskontrolle ist momentan nur ein Hilfsmittel. Und das, was ich danach mit der CT an dem Bauteil wirklich sehe, das schafft Vertrauen.

Aber das alles bedeutet, dass Anwender mit großen Investitionen rechnen müssen, wenn sie additiv fertigen wollen. Ein CT-System ist ja nicht gerade günstig.

Schulenburg: Daher glaube ich, dass es künftig mehr Dienstleistungszentren geben wird. Denn das Geschäftsmodell des typische Zerspahners, der sich eine neue CT-Anlage kauft, wird im 3D-Druck nicht funktionieren. Davon bin ich fest überzeugt. Der Lernprozess ist einfach zu lang.

Gönenc: Wir haben fünf eigene CT-Anlagen. Aus der eigenen Produktion kommen vielleicht gerade mal fünf Prozent der Aufträge. Man druckt zehn Stunden, bis ein Teil fertig ist. Und die Prüfdauer beträgt eine Stunde. Wie soll man da eine Auslastung erreichen?

Die Qualitätskontrolle wird also ausgelagert.

Effenberger: Das mag aktuell so aussehen. Aber wenn sich das Ganze weiter etabliert und die Technik insgesamt besser wird, dann werden die Leute die Systeme auch vor Ort einsetzen. Die Computertomographie konnte am Anfang nur von Experten bedient werden. Mittlerweile sind die Geräte so weit entwickelt, dass sie einfach nutzbar sind.

Schulenburg: Ich bin zu 100 Prozent davon überzeugt, dass man irgendwann keine CT mehr braucht, weil der Prozess einfach sicher wird. Dort muss man hinkommen. Das ist die Aufgabe der Hersteller.

Eine Frage an Herrn Gönenc und Herrn Gögelein: Ist es absehbar, dass man irgendwann keine CT benötigt, sondern die Inline-Technik die Prozesse stabil genug macht?

Gögelein: In der Luftfahrt gibt es Klassen, welche die Kritikalität des Bauteils für das Triebwerk vorgeben. Für die Klassen 1 und 2 ist eine Volumenprüfung vorgeschrieben. Und dafür gibt es nur Ultraschall und Röntgentechnik. Bei anderen Bauteilen, die weniger kritisch sind, könnte man das eventuell umgehen.

Gönenc: Ich sehe das wie bei Spritzgussprozessen. Da werden ja auch CT-Systeme eingesetzt. Egal wie gut der Prozess ist, muss man trotzdem noch die Bauteile auf Maßhaltigkeit und Formtreue prüfen. Auch in der additiven Fertigung wird man nicht ohne CT auskommen.

Haben Sie bei Hachtel auch schon Inline-Prozessüberwachungs-Tools in Ihren 3D-Druckern?

Gönenc: Einer unserer Metalldrucker hat ein solches Tool. Damit wird der Prozess geprüft, aber auch nahe stehende Parameter wie zum Beispiel die Temperatur. Bei einem Kunststoffdrucker sind wir gerade in der Entwicklung, einen Prozess zu schaffen.

Es ist interessant, dass die Anwender quasi jetzt schon selbst in die Entwicklung einsteigen.

Grünberger: Da muss ich jetzt aber einhaken. Man kann schon bestimmte Auffälligkeiten sehr eindeutig zuordnen. Dafür gibt es ganz einfache Voreinstellungen, die auch Einsteiger nutzen können. Wir müssen nicht bei Null beginnen. Natürlich wird man eigene Prozesse noch formen und überprüfen müssen. Aber wir haben die Werkzeuge dafür, um das durchzuführen. Wir stehen hier am Beginn einer neuen Technologie, die ein riesiges Potenzial hat. Die Hersteller haben dies auch erkannt und einen Wandel vollzogen. Sie verkaufen nicht mehr einfach nur Maschinen, sondern eine Technologie. Das ist der richtige Weg – den Kunden beim Einsatz dieser Technologie auch an die Hand zu nehmen.

Gögelein: Ich glaube, fast alle Hersteller haben inzwischen eine Pulverbettüberwachung. Damit lässt sich sicherstellen, dass das Pulverbett gleichmäßig aufgezogen wurde. Zusätzlich nutzen viele inzwischen auch eine Meltpool-Überwachung, die für die Entwicklung der Prozessparameter eingesetzt wird. Diese zeichnet die zurückgeworfene Laserenergie auf einem Array auf. Dadurch erhält man sehr viele Daten über die Qualität des Schmelzbades.

Welche Rolle könnte Ihrer Meinung nach Künstliche Intelligenz – also KI – beziehungsweise Machine Learning künftig in der Qualitätskontrolle für die additive Fertigung spielen?

Effenberger: Das Hauptpotenzial für Machine Learning sehe ich in der Kombination der Einflussgrößen auf den Prozess und der Qualität, die dann am Ende tatsächlich herauskommt. Ich sehe große Möglichkeiten, additive Fertigungsprozesse mithilfe von Machine Learning zu optimieren und somit langfristig eine reproduzierbare Bauteilqualität zu erreichen.

Grünberger: Man muss aufpassen, worüber man spricht beim Thema KI. Wenn es um KI im Sinne eines einfachen Expertensystems geht, dann wird dies sehr rasch möglich sein. Aber auf ein KI-System, das ich fragen kann, ob mein Bauteil den Qualitätsanforderungen entspricht, werden wir noch lange warten müssen. Es gibt Zweige der KI, die uns massiv helfen können. Dazu zählen statistische Methoden, um die Prozessstabilität nachzuweisen. Wir sind dank Machine Learning schon in der Lage, automatisiert Auffälligkeiten zu finden.

Gögelein: Auch wir beschäftigen uns damit, maschinelles Lernen einzusetzen. Zum Beispiel, um die riesigen Datenmengen aus den Prozessen – nicht nur in der additiven Fertigung – auszuwerten. Ganz konkret sollen Bilder in unstrukturierter Form vollautomatisch verarbeitet werden können. Somit hätte ich eine Software zur Verfügung, die mir in meiner Entscheidung unterstützend zur Seite steht und mir die Möglichkeit bietet, nicht jedes Bild anschauen zu müssen. Anhand solcher bereits im Vorfeld generierten Informationen bieten sich uns ganz neue Möglichkeiten der Datenauswertung. Ich weiß aber nicht, ob das so schnell passieren wird. Und um Vertrauen in solch ein System entwickeln zu können, benötigt es natürlich Zeit.

Gönenc: Uns würde KI in der additiven Fertigung helfen, wenn die Maschine den Prozess automatisch korrigieren könnte, sobald ein Fehler erkannt wird. Aber das ist eher noch ein theoretisches Ziel.

Wenn wir schon über die Zukunft sprechen – was wird sich geändert haben in Sachen Qualitätskontrolle für die additive Fertigung, wenn wir uns in zwei Jahren wieder hier treffen?

Schulenburg: Es wird mehr wirkliche Inline-CT-Anlagen geben, die auch in der Serienfertigung zum Einsatz kommen. Bauteile, die aus der Anlage kommen, werden vollautomatisch geprüft, wenn sie denn prüfbar sind. Das wird in zwei Jahren der Stand der Technik sein.

Gögelein: Wir arbeiten bereits mit Inline-CT-Anlagen. Und ich kann mir vorstellen, dass wir das auch auf die die additive Fertigung ausweiten werden. Wir werden wahrscheinlich noch deutlich mehr im Inline-Prozesskontrollbereich machen und die optische Tomographie hoffentlich so weiter entwickelt haben, das wir damit schon eine Vorauswahl der gefertigten Bauteile treffen können. Und wahrscheinlich werden wir deutlich mehr 3D-Druck-Anlagen bei uns einsetzen.

Grünberger: Ich denke, dass es in zwei Jahren viel mehr Benutzer geben wird, die sich mit der additiven Fertigung und mit dem Thema Skalierbarkeit beschäftigen. Im Powder-Bed-Fusion-Bereich wird es eine nennenswerte Anzahl an Unternehmen geben, die vor TRL 9 stehen. Das wird die Entwicklung noch mal stark vorantreiben – auch in Richtung Akzeptanz der Technologie.

Effenberger: Ich hoffe, dass wir in zwei Jahren deutlich weiter sind, was die Zusammenhänge zwischen Qualität und Prozessparametern betrifft. Und dass es auch erste Lösungen geben wird, um den Prozess anzupassen. Persönlich wünsche ich mir natürlich, dass man in Richtung automatisierter Kontrolle weiter voran schreiten wird – also die Daten, die mit der Messtechnik erzeugt werden, weiter automatisiert auszuwerten.

Gönenc: Es werden mehr additive Bauteile in Produktion gehen. Dadurch wird die Automatisierung vorangetrieben und die Prozesse beschleunigt. Und ich hoffe, dass es für die Prüfung Normen geben wird. ■

Vielen Dank für die Diskussion.

Fachforum zum Thema

Die Herausforderungen und Möglichkeiten der Qualitätskontrolle im 3D-Druck werden auch auf dem Forum „Qualitätssicherung in der additiven Fertigung“ diskutiert, das Quality Engineering zum dritten Mal gemeinsam mit dem Fraunhofer IPA veranstaltet. Das Event findet am 19. Februar 2020 in den Räumlichkeiten des Fraunhofer IPA in Stuttgart statt und adressiert alle Qualitätsprobleme entlang des Produktionsprozesses. Experten aus Forschung und Industrie werden dort unter anderem über folgende Fragen sprechen:

• Wie ist der aktuelle Stand beim Thema Qualitätssicherung in der additiven Fertigung?
• Welche Rolle spielen Koordinatenmesstechnik und andere etablierte Technologien?
• Welche rechtlichen Fragen gilt es zu beachten?
• Was sind die Vorteile von Computertomographen für die Prüfung additiv gefertigter Bauteile?
• Wird Inline-Messtechnik künftig zum Standard in der additiven Fertigung?
• Welche Rolle spielt Machine Learning in diesem Kontext?

Weitere Informationen zum Forum sowie die Möglichkeit zur Anmeldung finden Sie unter: http://hier.pro/KbzPL